钢纤维轻骨料粉煤灰砼抗压性能试验研究

李晓克，沈 泽，陈梅华，赵明爽

(华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州450011)

结构用轻骨料混凝土自重小、保温效果好，应用前景广阔［1-2］。但由于轻骨料混凝土在拌制过程中易于出现轻骨料上浮、混凝土浇筑成型后均一性较差等问题导致其在工程应用中受到限制［3-6］。因此，结合钢纤维混凝土［7-9］和粉煤灰混凝土［10-11］新技术的发展，研发具有绿色特质的现代高性能钢纤维轻骨料粉煤灰混凝土具有重要理论意义和工程应用价值。此处所述绿色特质是指综合利用火电工业副产品——粉煤灰和建筑节能材料——轻质页岩陶粒;现代高性能是指混凝土拌合物具有大流动性和良好的黏聚性与保水性、硬化混凝土具有良好的抗压塑性变形能力、高拉压强度比以及抗裂、抗冲击和抗弯韧性等优势。为此，本文通过系列试验，研究了水灰比、钢纤维掺量和粉煤灰取代水泥量对钢纤维轻骨料粉煤灰混凝土抗压强度的影响，为结构设计和工程应用提供了材料性能研究基础。

1 试验概况

1.1 原材料

采用52.5 普通硅酸盐水泥、烧结页岩陶粒和陶砂、II 级粉煤灰和铣削型钢纤维。陶粒按2 ～5，5 ～10，10 ～16 和16 ～20 mm 四种级配，按最大紧密堆积密度原则确定混合比例0.5:4.0:4.5:1.0，将其混合成2 ～20 mm 连续级配粗骨料。钢纤维平均长度36.68 mm，等效直径1.35 mm。混凝土拌制时采用自来水和聚羧酸系高性能减水剂(实际减水率19%)。主要材料物理力学性能见表1 ～表4。

表1 水泥物理力学性能Tab.1 Physical and mechanical properties of cement

表2 陶粒物理力学性能Tab.2 Physical and mechanical properties of expanded shale

表3 陶砂物理力学性能Tab.3 Physical properties of lightweight sand

表4 粉煤灰物理性能Tab.4 Physical properties of fly-ash

1.2 试验设计

本试验采用粉煤灰等量取代水泥、钢纤维体积率计入砂率计算公式的绝对体积法进行配合比设计［12-13］。选取混凝土强度等级LC35、水灰比W/C 为0.30、轻骨料等级900 作为基准轻骨料混凝土的控制参数进行试验设计。调整水灰比0.25 ～0.35、钢纤维体积率0%～2.0%和粉煤灰替代率0%～30%，减水剂用量为胶凝材料用量的1.0%，共设计11 组配合比如表5 所列。

表5 混凝土配合比主要参数及部分试验结果Tab.5 Main parameters of mix proportion and some test results of concrete

骨料经预湿处理，采用强制式搅拌机搅拌，混凝土入模成型后标准养护。测试项目主要有混凝土拌合物坍落度和混凝土的干表观密度、立方体抗压强度fcu、轴心抗压强度fc和弹性模量Ec。立方体抗压强度试验采用边长150 mm 的立方体试块，轴心抗压强度和弹性模量试验采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件。

2 试验结果及分析

2.1 混凝土拌合物工作性能

本试验混凝土拌合物均具有良好的黏聚性和保水性，除拌合物LC1(水灰比0.25)坍落度仅为17 mm外，其余拌合物均具有良好的流动性;同样条件下，坍落度随钢纤维掺量增大而显著减小，粉煤灰替代率对坍落度影响较小。用粉煤灰取代部分水泥，降低了浆体的密度，减小了砂浆与骨料的密度差，可减轻骨料上浮而提高混凝土成型过程中骨料分布的均质性。

2.2 干表观密度

本试验混凝土干表观密度范围为1 658 ～1 793 kg/m3。钢纤维体积率不大于1.2%时，属于密度等级1700 的轻骨料混凝土;钢纤维体积率大于1.2%时，属于密度等级1800 的轻骨料混凝土。同样条件下，混凝土干表观密度随钢纤维掺量增大而增大，随粉煤灰替代率增大而略有减小。

2.3 立方体抗压强度

混凝土立方体试块受压破坏形态见图1，由未加钢纤维(LC6，图1(a))的散体状脆性破坏转化为随纤维掺量增加的受破坏，试块形态不散，仅表面少许崩裂(LC4，图1(b))。因此，掺加钢纤维明显改善了混凝土脆性破坏特征。

水灰比由0.35 减至0.25，钢纤维轻骨料粉煤灰混凝土立方体抗压强度提高了约20%(图2)，但由于陶粒抗压强度较低，水灰比对混凝土立方体抗压强度的影响也较小［5］。当水灰比为0.35 时，混凝土立方体抗压强度为42.4 MPa，小于LC35 钢纤维轻骨料粉煤灰混凝土配制强度fcu，0=43.2 MPa，综合考虑纤维掺量、粉煤灰替代量等因素，混凝土的水灰比宜取0.30。

图1 混凝土立方体抗压试块破坏形态Fig.1 Failure states ofconcrete cubes under compression

图2 立方体抗压强度随水灰比的变化Fig.2 Variation of cubic compressive strength of concrete with water-to-cement ratio

保持水灰比0.30、粉煤灰替代率20%等参数不变，立方体抗压强度随钢纤维掺量的增加而增大(图3)，证明钢纤维对轻骨料的约束作用间接提高了其抗压能力，进而达到了提高混凝土抗压强度的效果。本试验将钢纤维视为粗骨料计入砂率计算公式，通过调节骨料、钢纤维与砂浆的比例，钢纤维被充足的浆体包裹，可充分发挥其阻裂作用，使混凝土立方体抗压强度呈现随钢纤维掺量增加而提高的变化趋势，较好地解决了以往研究因粗骨料上浮、钢纤维下沉导致的混凝土立方体抗压强度随钢纤维体积率增加呈现先增大后减小的趋势［14］;同时，也较本课题组以往研究考虑钢纤维裹浆厚度，虽有效改善了混凝土和易性，但抗压强度增加较小的问题［15］。结合同时满足混凝土拌合物大流动性的要求，LC35 混凝土的钢纤维体积率不宜大于1.2%。

粉煤灰取代量10%、20%和30%的立方体抗压强度较不掺粉煤灰时分别降低了0.2%、4.6%和5.6%，下降趋势平缓(图4)。这同样归因于粉煤灰的活性效应、形态效应和微集料效应，保障了其等量取代水泥后的轻骨料混凝土抗压强度。

图3 立方体抗压强度随钢纤维体积率的变化Fig.3 Variation of cubic compressive strength of concrete with fraction of steel fiber by volume

图4 立方体抗压强度随粉煤灰取代量的变化Fig.4 Variation of cubic compressive strength of concrete with fly-ashreplacing ratio

2.4 轴心抗压强度

混凝土轴心抗压破坏形态与立方体抗压破坏状态相似(图5)，钢纤维的加入使破坏形态发生了质变。

钢纤维轻骨料粉煤灰混凝土轴心抗压强度随水灰比、钢纤维掺量及粉煤灰取代量的变化趋势类似于立方体抗压强度的变化趋势。水灰比为0.25、0.30 和0.35 时，fc/fcu分别为0.85、0.93 和0.85，平均值为0.88。fc/fcu随钢纤维掺量变化在0.88 上下波动，但总体趋势仍保持水平(图6)。从图6 可见，当粉煤灰取代水泥量0%～20%时，fc/fcu平均值为0.94，掺入粉煤灰对fc/fcu影响可不计;但当粉煤灰取代水泥量30%时，fc/fcu降至0.79。

图6 fc/fcu随钢纤维掺量和粉煤灰掺量的变化Fig.6 Variation of fc/fcu with fraction of steel fiber by volume and fly-ash replacing ratio

2.5 弹性模量

水灰比为0.25、0.30 和0.35 时，钢纤维轻骨料粉煤灰混凝土的弹性模量依次为23.2、22.8 和16.6 GPa。因此，水灰比为0.35 时，混凝土弹性模量降幅大。随着钢纤维体积率的增大，受钢纤维形成的骨架拉结约束效应影响，混凝土弹性模量平缓增加，抗压变形能力有所提升;粉煤灰取代水泥量对混凝土弹性模量影响不大(图7)。

图7 弹性模量随钢纤维体积率和粉煤灰取代量的变化Fig.7 Variation ofelastic modulus with fraction of steel fiber by volume and fly-ash replacing ratio

3 结 语

本试验着重于配制满足大流动性钢纤维轻骨料粉煤灰混凝土，并开展相应的拌合物工作性、干表观密度及混凝土基本抗压性能试验研究。混凝土配合比主要变化参数为水灰比、钢纤维体积率和粉煤灰替代水泥量。试验结果表明:

①采用粉煤灰等量取代水泥、钢纤维体积率计入砂率计算公式的绝对体积法进行混凝土配合比设计方法可行。通过调节骨料、钢纤维和砂浆的比例，可充分发挥钢纤维的增强阻裂作用，较好地解决了以往研究中混凝土立方体抗压强度随钢纤维体积率增加先增大后减小的趋势和抗压强度增加较小的问题。

②钢纤维轻骨料粉煤灰混凝土立方体抗压强度随钢纤维掺量的增加而显著增大，随粉煤灰取代量增加而略有降低;轴心抗压强度随水灰比、钢纤维掺量及粉煤灰取代量的变化趋势和立方体抗压强度变化趋势基本保持一致;但高粉煤灰取代量使混凝土轴心抗压强度降低显著快于立方体抗压强度。

③提出了配制强度等级LC35、密度等级1700 的大流动性钢纤维轻骨料粉煤灰混凝土的配合比设计参数范围:水灰比0.30，钢纤维体积率0.4%～1.2%，粉煤灰替代水泥量0%～20%。

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